安全第一,!許多工業(yè)過程涉及到有毒化合物,,例如:制造塑料、農(nóng)用化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品會(huì)用到氯氣,;生產(chǎn)半導(dǎo)體需要使用磷化氫和砷化氫,;燃燒消費(fèi)類包裝材料會(huì)釋放出氰化氫,。因此,了解有毒氣體濃度是否達(dá)到危險(xiǎn)程度十分重要,。
在美國,,國家職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會(huì)議(ACGIH)已規(guī)定了許多有毒工業(yè)氣體的短時(shí)間和長時(shí)間接觸限值。“閾限值—時(shí)間加權(quán)平均值”(TLV-TWA)是指大多數(shù)工人可以在正常8小時(shí)工作日內(nèi)反復(fù)接觸而不會(huì)受到有害影響的時(shí)間加權(quán)平均濃度,。“閾限值—短時(shí)間接觸限值”(TLV-STEL)是指大多數(shù)工人可以短時(shí)間接觸而不會(huì)受到刺激或傷害的濃度,。“立即威脅生命或健康的濃度”(IDLHC)是一種限制性濃度,它會(huì)對生命立即或緩慢產(chǎn)生威脅,,導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的健康損害,,或者影響工人獨(dú)立逃生的能力。表1列出了幾種常見氣體的限值,。
表1. 某些常見工業(yè)有毒氣體的接觸限值
有毒氣體 |
長時(shí)間接觸限值 (TLV-TWA) (ppm) |
短時(shí)間接觸限值 (TLV-STEL) (ppm) |
立即威脅生命或健康的濃度(IDLHC) (ppm) |
一氧化碳 | 50 | 200 | 1,200 |
二氧化碳 | 5,000 | 30,000 | 40,000 |
氯氣 | 0.5 | 1 | 10 |
磷化氫 | 0.3 | 1 | 50 |
硫化氫 | 10 | 20 | 100 |
對于檢測或測量有毒氣體濃度的儀器,,電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢。大多數(shù)傳感器都是針對特定氣體而設(shè)計(jì),,可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一(1 PPM),,所需工作電流極小,非常適合便攜式電池供電的儀器,。電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是響應(yīng)緩慢:首次上電后,,傳感器可能需要數(shù)分鐘時(shí)間才能建立至最終輸出值;暴露于中間量程的氣體濃度時(shí),,傳感器可能需要25到40秒時(shí)間才能達(dá)到最終輸出值的90%,。
本文描述一種使用電化學(xué)傳感器的便攜式一氧化碳(CO)探測器。一氧化碳的IDLH濃度遠(yuǎn)高于大多數(shù)其它有毒氣體,,處理起來相對更安全,。但一氧化碳仍然屬于致命性氣體,,測試本文所述電路時(shí)應(yīng)極其小心并采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施。
圖1. CO-AX一氧化碳傳感器
圖1所示為 Alphasense公司的CO-AX傳感器,。表2是CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格摘要,。
表2. CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格
靈敏度 |
55 nA/ppm至90 nA/ppm(典型值65) |
響應(yīng)時(shí)間 |
< 30 s |
范圍(保證性能) |
0 ppm至2,000 ppm |
氣體過量限值 |
4,000 ppm |
對于這種應(yīng)用中的便攜式儀表,實(shí)現(xiàn)最長的電池壽命是最重要的目標(biāo),,因此,,必須將功耗降到最低,這一點(diǎn)至關(guān)重要,。在典型的低功耗系統(tǒng)中,,測量電路上電后執(zhí)行一次測量,然后關(guān)斷進(jìn)入長時(shí)間待機(jī)狀態(tài),。然而,,在這種應(yīng)用中,由于電化學(xué)傳感器的時(shí)間常數(shù)很長,,測量電路必須始終保持上電狀態(tài),。幸運(yùn)的是,因?yàn)轫憫?yīng)緩慢,,所以我們可以使用微功耗放大器,、高值電阻和低頻濾波器,從而將約翰遜噪聲和1/f噪聲降至最低,。此外,,單電源供電可避免雙極性電源的功率浪費(fèi)現(xiàn)象。
圖2給出了該便攜式氣體探測器的電路,。雙通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒電位配置(U2-A)和跨導(dǎo)配置(U2-B)下使用,。該放大器的功耗和輸入偏置電流非常低,對于恒電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇,。每個(gè)放大器的功耗僅10 μA,,因此電池壽命非常長。
圖2. 使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體探測器
在三電極電化學(xué)傳感器中,,目標(biāo)氣體擴(kuò)散到傳感器,,通過一層薄膜后作用于工作電極(WE)。恒電位電路檢測參考電極(RE)的電壓,,并向輔助電極(CE)提供電流,使RE端與WE端之間的電壓保持恒定,。RE端沒有電流流進(jìn)或流出,,因此流出CE端的電流流進(jìn)WE端,該電流與目標(biāo)氣體濃度成正比,。流過WE端的電流可能是正值,,也可能是負(fù)值,,具體取決于傳感器中發(fā)生的是還原反應(yīng)還是氧化反應(yīng)。對于一氧化碳,,發(fā)生氧化時(shí),,CE端電流為負(fù)值(電流流入恒電位運(yùn)算放大器的輸出端)。電阻R4通常非常小,,因此WE端的電壓約等于VREF.
流入WE端的電流會(huì)導(dǎo)致U2-A的輸出端產(chǎn)生相對于WE端的負(fù)電壓,。對于一氧化碳傳感器,此電壓通常為數(shù)百毫伏,,但對于其它類型的傳感器,,此電壓可能高達(dá)1 V。為采用單電源供電,,微功耗基準(zhǔn)電壓源 ADR291(U1)將整個(gè)電路提升到地以上2.5 V,。ADR291的功耗僅12 μA;它還能提供基準(zhǔn)電壓,,以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器可對此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理,。
跨導(dǎo)放大器的輸出電壓為:
(1) |
其中:
IWE 為流入WE端的電流。
Rf 為跨導(dǎo)電阻(在圖2中顯示為U4),。
傳感器的最大響應(yīng)為90 nA/ppm,,如表2所示,其最大輸入范圍為2,000 ppm,。因此,,最大輸出電流為180 μA,最大輸出電壓由跨導(dǎo)電阻決定,,如公式2所示,。
(2) |
針對不同氣體或來自不同制造商的傳感器具有不同的電流輸出范圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271,,而不是固定電阻,,就可以針對不同的氣體傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和材料。此外,,這樣的產(chǎn)品還支持調(diào)換傳感器,,因?yàn)槲⒖刂破骺梢葬槍Σ煌臍怏w傳感器,將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?。AD5271的溫度系數(shù)為5 ppm/°C,,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻;其電源電流為1 μA,,對系統(tǒng)功耗的影響極小,。
采用5 V單電源供電時(shí),根據(jù)公式1可知,,跨導(dǎo)放大器U2-B的輸出范圍為2.5 V,。如果將AD5271設(shè)置為12.5 kΩ,,就可以利用傳感器最差靈敏度情況下的范圍,并能提供大約10%的超量程能力,。
使用65 nA/ppm的典型傳感器響應(yīng),,可以通過下式將輸出電壓轉(zhuǎn)換為一氧化碳的ppm:
(3) |
采用差分輸入ADC時(shí),只需將2.5 V基準(zhǔn)電壓輸出端連接到ADC的AIN-端,,從而消除公式3中的2.5 V項(xiàng),。
電阻R4使跨導(dǎo)放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權(quán)衡兩個(gè)因素:噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差,。對于本電路,,R4 = 33 Ω,由此可計(jì)算噪聲增益等于380,,如公式4所示,。
(4) |
跨導(dǎo)放大器的輸入噪聲應(yīng)乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p,,因此輸出端的噪聲為:
(5) |
該輸出噪聲相當(dāng)于1.3 ppm p-p以上的氣體濃度,,這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應(yīng)非常慢,,因此由R5和C6構(gòu)成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率,。此濾波器的時(shí)間常數(shù)為1秒,與傳感器的30秒響應(yīng)時(shí)間相比可忽略不計(jì),。
Q1為P溝道JFET,。電路啟動(dòng)時(shí),柵極電壓為VCC,,晶體管斷開,。系統(tǒng)關(guān)斷時(shí),柵極電壓降至0 V,,JFET開啟,,使RE端和WE端保持相同的電位。當(dāng)電路再次啟動(dòng)時(shí),,這可以大大改善傳感器的開啟建立時(shí)間,。
該電路由兩節(jié)AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護(hù)會(huì)浪費(fèi)寶貴的電能,,因此本電路使用P溝道MOSFET (Q2),。該MOSFET通過阻塞反向電壓來保護(hù)電路,施加正電壓時(shí)導(dǎo)通,。MOSFET的導(dǎo)通電阻小于100 mΩ,,因此它引起的壓降遠(yuǎn)小于二極管。除AAA電池以外,,降壓-升壓調(diào)節(jié)器ADP2503還允許使用最高5.5 V的外部電源,。在省電模式下工作時(shí),ADP2503的功耗僅38 μA,。由L2,、C12和C13構(gòu)成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)生的任何開關(guān)噪聲。連接外部電源時(shí),,該儀表不是通過一個(gè)電路來斷開電池,,而是利用一個(gè)插孔以機(jī)械方式斷開電池,從而避免電能浪費(fèi),。
使用AAA電池時(shí),,正常情況(未檢測到氣體)下的總功耗約為100 μA,最差情況(檢測到2,000 ppm CO)下的總功耗約為428 μA,。如果該儀表與一個(gè)微控制器相連,,在不進(jìn)行測量時(shí)可進(jìn)入低功耗待機(jī)模式,則電池壽命可達(dá)1年以上,。